考虑气压效应的浅埋隧道开挖影响解析解答

 基于隧道开挖椭圆化变形模式,针对盾构施工分别考虑气压效应与无气压效应2种工况,提出饱和土中浅埋隧道开挖引起的地层长、短期变形和隧道衬砌内力位移的计算方法。结果表明：椭圆化变形模式下得到的位移曲线与实测值吻合较好,考虑气压效应条件下隧道开挖施工引起的土体变形大于非气压工况,长期影响解大于短期影响解。通过参数调整研究衬砌洞周处位移分布规律时,发现衬砌径向负位移在90°拱顶处达到最大值,在270°拱底处取得最小值,反映了衬砌明显的椭圆化和整体下沉变形趋势,并且随着半径增大以及土体模量减小,椭圆化变形趋势越明显;切向位移值基本以90°/270°隧道中轴线为分界轴,正值取在隧道左半圆,负值取在隧道右半圆,增大半径以及减小土体模量提高了切向位移值的整体水平。通过参数调整研究衬砌内力分布规律时,发现硬土质和大间隙时隧道轴力更容易表现出明显的椭圆化分布趋势,弯矩值随着隧道埋深、隧道半径以及土体重度减小而减小,随着土体侧压力系数k的减小而增大。盾构气压水平的提升,使衬砌轴力受压区范围增幅明显,并使衬砌的正、负弯矩值均增大。分析成果可为正确预估复杂工况下盾构开挖变形提供一定的理论依据。     

地铁盾构隧道整环衬砌结构三维有限元分析

利用大型通用有限元软件ABAQUS建立地铁盾构隧道整环衬砌结构的三维有限元模型,计算分析衬砌环在试验荷载工况下的荷载—变形关系曲线、变形过程中隧道管片的内力发展过程;计算分析试验荷载工况下衬砌环直径变形量发展至一定收敛限值时,进行钢板加固,并继续计算完成荷载-变形全过程关系曲线、变形过程中隧道管片的内力发展过程。通过与试验结果的对比分析,有限元计算结果与试验结果两者的变化规律是一致的;计算结果在反映结构应力/应变分布规律方面有重要参考作用。     

地铁区间盾构隧道衬砌内力计算方法比较分析

地铁区间盾构隧道衬砌内力计算是非常复杂的。针对沈阳地铁一号线区间盾构隧道衬砌,分别采用不考虑土壤介质侧向弹性抗力自由变形均质圆环法和考虑土壤介质侧向弹性抗力的修正惯用法进行内力计算。分析比较了衬砌管片结构内力分布规律,探讨了计算方法对盾构隧道衬砌结构设计所造成的影响。     

水位对盾构隧道管片结构内力影响研究

当水位处于盾构隧道断面内时,管片侧向水平荷载分解为矩形荷载、满跨(跨高等于隧道直径)三角形荷载、非满跨三角形荷载3部分,已有修正惯用法对第三部分荷载只能作近似处理,导致计算结果有误差。首先针对此荷载做如下处理:理论推导管片在其作用下的内力弹性解和按面积等效原则将其荷载集度换算为对应满跨时荷载集度,并用于计算水平地基反力及其作用下的管片内力;然后利用推导公式并结合已有修正惯用法针对国内4种典型盾构隧道,分析了不同覆土条件下水位变化对管片内力的影响,得出其变化规律,可为盾构隧道结构设计提供借鉴。     

富水闪长岩地层中盾构隧道水土压力作用模式研究

迄今,在复杂的地质环境下,盾构隧道所受的水土压力尚难以精确计算。以济南地铁R2线为依托工程,选取2个代表性断面上实测的作用在衬砌结构上的水土压力,分析处于不同地质环境下掘进施工时盾构隧道管片水土压力的变化规律和分布特征。结果表明:1)在软硬不均的复合地层中,由于各土层物理力学性能的差异,盾构掘进约20环管片的距离后,测点处的水土压力才能基本稳定;2)对于正常固结的软黏土或粉质黏土,当覆土厚度大于2.5D(D为管片外径)时,已经产生土拱效应,采用Terzaghi松动土压力法计算较为合理。而对于覆土厚度小于1.5D的隧道来说,采用全土柱法较为合适;3)在上软下硬土层中,盾构隧道衬砌结构两侧的荷载并不对称,修正惯用法的荷载模式夸大了基底反力;4)不同埋深的两处断面的实测水压力值与理论静止水压力值基本相近。     

膨胀岩土地层环状膨胀对盾构隧道衬砌荷载的影响

为了获得膨胀岩土地层环状膨胀产生的膨胀荷载对于盾构隧道衬砌结构内力的影响规律,从理论上推导了岩土环状膨胀引起的附加荷载计算公式, 并利用有限元分析软件ANSYS,建立了膨胀地层隧道模型并进行数值模拟。结合数值分析方法,研究了不同膨胀圈厚度情况下,地层环状膨胀对衬砌结构接触压力增量的影响。研究结果表明,膨胀荷载与岩土膨胀力大小、应力水平、地层抗力、膨胀后岩土的物性参数等因素有关,因环状岩土膨胀引起的衬砌压力增加值小于室内测得的岩土膨胀力;衬砌径向压力增加值与衬砌和深部围岩刚度、膨胀圈厚度成正相关关系;衬砌压力的增加值主要体现在结构轴力上,这对结构受力是有利的,从而轴力成了该结构设计的控制因素。研究成果为盾构隧道结构设计膨胀荷载的取值提供了依据。     

盾构隧道双层衬砌横向力学结构参数优化研究

随着水下盾构隧道建设及运营环境日益复杂,安全要求日益提高,盾构隧道双层衬砌有望在工程中得到较为广泛的应用。本文依托武汉轨道交通8号线越江隧道工程,采用双层衬砌盾构隧道三维壳—弹簧力学分析模型,研究了不同工况下二次衬砌强度及厚度对双层衬砌内力及变形的影响,并对二次衬砌是否应当配筋的问题进行了探讨。研究结果表明:二次衬砌强度变化对管片衬砌结构内力影响甚微,但二次衬砌弯矩量值略有提高,同时通过提高二次衬砌强度来抑制隧道竖向变形的效果不明显,考虑到工程造价问题,二次衬砌强度不宜过高,取C40为宜;二次衬砌厚度增加对管片横向内力影响甚微,但对其结构受力有不利影响,综合考虑隧道运营期火灾以及列车撞击等因素,二次衬砌厚度取30~40 cm为宜;在外荷载增大情况下,二次衬砌拉应力量值显著增加,超过混凝土规范容许拉应力值,因此,实际工程中建议对二次衬砌进行配筋设计。研究结论可为盾构隧道双层衬砌的设计及施工提供有益的借鉴。     

基于实测内力的大直径水下盾构隧道荷载反演分析

作用在管片结构上的水土压力是管片设计的关键,但目前盾构隧道管片衬砌结构的荷载确定尚未有一个统一的方法,开展现场测试获取管片衬砌结构的水土压力是一个有效的解决途径,但受工法特性影响,所得测试数据通常具有一定的误差。依托武汉地铁8号线越江隧道工程,基于较为准确的结构内力实测值,针对岸边深埋段和水下浅埋段两种典型地层条件,对管片所受竖向水土压力和侧向压力系数进行双参数荷载反演分析。研究结果表明：隧道位于岸边深埋段、洞身穿越均一地层时选取竖向水、土压力作为反演参数,而隧道位于水下浅埋段,洞身穿越多种地层时选取竖向水压力和侧向压力系数作为反演参数是合理的。针对越江隧道岸边深埋段的地层特性,拱顶竖向土压力取等效于拱顶以上2倍洞径范围内土柱所产生的压力,水压力需根据地层渗透性予以折减,折减系数一般在070～085;对于水下浅埋段,竖向土压力可按照全土柱法计算,水压力取上部全部水压,侧压力系数反演值较隧道所处地层地勘值偏大。     

既有桩基对盾构施工参数的影响研究

盾构隧道施工邻近桥梁桩基已成为目前研究的热点问题。针对盾构施工参数取值在工程中的应用价值,利用三维弹塑性有限元分析了桩基引起地层的竖向附加应力,反推出了Geedes式中的桩端阻力、桩侧阻力分担桩顶荷载的比例系数与桩长的数学表达式,并将Geedes竖向附加应力影响范围与Randolph提出的影响半径对比分析后,给出了桩基影响区域和非影响区域的界定半径;基于支护压力、注浆压力的理论取值范围及单位长度上土体损失量等于沉降槽面积的条件,利用三维弹塑性有限元进行计算分析,给出了支护压力、注浆压力在桩基非影响区域内的建议取值和土体损失的计算表达式;基于桩基非影响区域内盾构施工参数的建议取值及桩基对地层产生的附加应力,给出了桩基影响区域内盾构施工参数建议取值的数学表达式。研究结果表明:工作面的土压力阻力选取工作面静止土压力合力,注浆压力选取1.1倍的隧道埋深处水土压力时,对地层的扰动较小。     

深埋高内水压盾构隧道管片衬砌力学特性足尺试验研究

鉴于目前内水压盾构隧道力学性能的研究尚不充分,未能揭示内水压荷载作用下盾构衬砌的内力与变形等规律,结合上海市拟建设的深埋蓄排水盾构隧道,研发原型管片衬砌加载装置并对内水压盾构衬砌的力学行为开展试验研究。试验结果表明：内水压会显著影响盾构隧道衬砌结构的力学性能,在内水压荷载作用下盾构衬砌环弯矩增大、轴力减小,衬砌环与局部接头变形及螺栓应变均增大,结构安全储备降低。当内水压达0.6MPa时,衬砌环收敛变形约为无内水压作用时的2倍。环间作用增大时错缝拼装衬砌环的抗变形能力及安全储备提高,主要原因是管片接头弯矩向相邻管片截面的传递效应增强。此外,分析了内水压作用时衬砌结构的弯曲刚度有效率与接头弯矩传递系数变化规律及衬砌环收敛变形限值,可为双排螺栓连接的深埋内水压盾构衬砌设计计算参数的选取提供参考。     

大直径越江盾构隧道结构受力现场实测分析

以南京地铁3号线越江隧道为依托,通过对大直径越江盾构隧道3环管片周边荷载、钢筋应力进行监测,并对实测数据进行统计分析,探讨越江盾构隧道施工期以及施工后一段时间,盾构隧道荷载、受力变化特征,并根据现场实测应力计算盾构管片内力,采用修正惯用法和梁-弹簧法计算隧道衬砌内力,并与实测值进行比较。研究结果表明:盾构掘进过程会引起管片周边土体的扰动,管片壁后注浆及施工期的临时荷载会影响管片周边土压力分布及大小;管片内外侧钢筋应力变化规律与实测土压力变化趋势基本一致,管片实测应力开始趋于稳定时间相比实测土压力较短;梁-弹簧法计算管片内力与实测反算结果更吻合,实测反算轴力是计算轴力的2倍左右。研究成果可为大直径盾构越江隧道管片设计、施工提供参考。     

广州地铁五号线盾构隧道工程施工技术

受周边环境、地质条件、线路站位及施工工期等因素制约,广州地铁五号线盾构施工面临诸多难题和挑战.在施工过程中成功研究并应用了SEW工法、暗挖导洞群桩基托换法,针对江中超浅埋泥水盾构过江、土压平衡盾构过溶洞群、超小曲线半径重叠隧道盾构等施工难点采取新技术和新工法,并在盾构过砂层时采取TAC高分子聚合物等新材料,有效控制了盾构施工中土体稳定和变形,保证地铁五号线顺利施工.     

地表超载作用下盾构隧道劣化机理与特性

对某软土地区地铁盾构隧道进行了调研与分析,发现盾构隧道在现有计算理论所允许的地表超载作用下极易发生横向变形超限,并引发管片纵缝接头破损与渗漏水,对此展开了模型试验、数值仿真及理论分析。研究表明:地表均布超载导致的隧道附加竖向土压力并不是均匀分布,且在隧道中心正上方一定范围内要大于地表均布超载;隧道的穿越土层越软弱,地表超载导致的隧道周围附加土压力对隧道结构抵抗横向变形越不利;隧道发生横椭圆变形过程中,管片纵缝接头是管片环中的最薄弱部位。最后提出了软土地区盾构隧道采用"刚性衬砌"的设计理念,并给出了加大管片纵缝接头强度与刚度的建议。     

Computational study of effects of traffic force on the ventilation in highway curved tunnels

A computational study using dynamic mesh method was carried out to investigate the effects of traffic force caused by a moving vehicle on ventilation in a straight road tunnel and several curved road tunnels with various radii. It has been found that the effect of the radius of the curved tunnel on the traffic force is significant, especially in a curved tunnel with a smaller radius. The traffic force induced by a moving vehicle and the effective drag coefficient increase with the decrease of the radius of the tunnel. The difference between the traffic force in curved tunnels and that in a straight tunnel is negligible when the radius is greater than 2000 m. The static pressure around the vehicle is significantly lower than it is away from vehicle due to the combination of the boundary layer separation and the airflow retardation. And the lowest value occurs at the front of the vehicle. With the decrease of the radius of curved tunnels, the suction around and behind the vehicle is obviously subjected to the limited space due to a bigger vortex approximately approaching the right concave wall and this consequently causes a lower static pressure and a lower dynamic pressure.     

盾构隧道施工对砂性地层的扰动及管片受荷特征

以西安地铁土压平衡式盾构穿越砂性地层为背景,采用颗粒流(PFC^2D)数值方法研究盾构施工对砂性地层的扰动情况,同时通过现场测试获取砂性地层下盾构隧道管片衬砌的荷载分布和内力特征。研究结果表明,相对于黄土等粘性地层而言,砂性地层的颗粒性较为突出,盾构开挖引起的地层移动在空间分布上连续性较差,出现局部松动或欠密实区域。砂性地层透水性较好,孔隙水压力测试值与水头高度有很好的相关性,但土压力测试值要低于实际受力值。受各种施工荷载的影响,管片弯矩和轴力在盾尾脱环阶段波动较大,随着盾构的推进,盾尾注浆等施工荷载对结构受力的影响减小,当脱出盾尾10~15环后,管片内力逐渐稳定。研究成果可为砂性地层土压平衡盾构隧道的设计与施工提供参考。     

盾构隧道受上方地下空间开挖荷载的影响分析

利用有限元软件MIDASGTS建立的三维有限元模型模拟下方盾构隧道的竖向和水平方向变形过程,以及在地下室和覆土荷载作用下的隧道变形增量、转换梁和连接板竖向变形、保护桩竖向和水平方向变形增量等,结果表明盾构隧道处于中风化岩层产生的变形增量约为其处于强风化岩层的13;增大转换梁刚度可在一定程度上减小盾构隧道和转换梁在上方荷载作用下的变形量;在基坑开挖和地下室施工全过程,盾构隧道的轴力和弯矩均处于较低受力水平,结构安全性未受影响。     

盾构隧道衬砌的设计方法分析

针对盾构隧道衬砌管片的内力及变形受多种因素影响的情况,结合工程实例,从衬砌管片方面分析了衬砌的内力及变形,得出衬砌管片的内力及变形随其自身因素变化的一些规律,以供设计人员参考。     

平行盾构开挖离心机模拟试验研究

通过离心模型试验模拟平行盾构隧道近接开挖施工,研究了盾构隧道近接开挖对既有隧道结构内力、管片变形和地表沉降的变化规律。结果表明:1隧道开挖引起地表沉降的大小与开挖的步骤有关,而沉降槽的范围基本不变;2既有隧道靠近新建隧道一侧受拉,这一侧弯矩出现负增量,侧向土压力也有一定的减小,且既有隧道直径水平向变大,而垂向直径基本不受影响;3由于土拱效应,新建隧道已完成开挖部分管片拱顶的土压力随开挖进程先减小后增大;4采用地层结构法可以准确模拟隧道开挖过程的隧道结构力学特性与变形规律。     

输水隧道单层衬砌管片接头抗弯力学特性研究

因受到复杂的外部水土压力和较高的内水压力共同作用,单层衬砌盾构法输水隧道具有独特的接头构造。针对上海青草沙输水隧道(岛屿陆域段)单层衬砌管片接头的特点(铸铁手孔,双层螺栓),借助1:1足尺荷载试验及三维非线性弹塑性数值模拟对单层衬砌输水隧道管片接头的抗弯力学特性进行了研究。获得了单层衬砌输水隧道管片接头在不同接头轴力(拉/压力)、不同接头弯矩(正/负弯矩)和不同螺栓预紧力条件下接头张角及抗弯刚度的变化规律;并获得了环向螺栓轴力随接头弯矩的变化规律及管片接头的变形特性,研究成果可供类似工程借鉴。